富勒烯(C₆₀)是最具代表性的纳米材料之一，具有独特的笼状结构和优异的理化性质，可广泛应用于新材料、 新能源和生物医学等诸多领域^{[1, 2, 3]}. 但未来C₆₀的大量生产和使用，将不可避免使其进入到环境，尤其是水体中^{[4, 5]}. 纳米毒理学研究发现，C₆₀能对多种微生物、 水生植物、 微小动物等产生毒副作用^[6]，还可引起人体DNA损伤^[7]. 虽不溶于水^[8]，但进入水体的C₆₀将会以纳米聚集颗粒的形式(nC₆₀)长时间稳定悬浮于水中^{[9, 10]}. 因此，C₆₀已被认为是潜在的水体污染物，其生态环境负效应正受到环境科学领域的高度关注^[11].

进入水体后的C₆₀纳米颗粒会与水中存在的各类杂质组分发生相互作用^[12]，尤其是水中广泛存在的天然有机物(natural organic matter，NOM)^[13]和电解质^[14]，可改变C₆₀纳米颗粒的表面性质，并引发分散或凝聚^[15]，影响其流动性和生物有效性^{[16, 17]}. 本研究以C₆₀纳米颗粒悬浮液为对象，选取水中NOM的主体——腐殖酸(humic Acid，HA)和简单电解质NaCl、 MgCl₂和CaCl₂，研究NOM和电解质存在下，水中C₆₀纳米颗粒的凝聚行为变化规律，以期为揭示其在水环境中的迁移扩散机制提供理论依据.

C₆₀纯度99.9%，购自Sigma-Aldrich； 甲苯、 六水合氯化镁、 高氯酸镁、 氯化钠、 氯化钾、 氯化钙，均为分析纯； HA购自Sigma-Aldrich.

采用1 mol ·L^-1的NaCl及200 mmol ·L^-1的MgCl₂和CaCl₂溶液调节电解质投加量； 溶液使用前均采用0.22 μm滤膜过滤，4℃保存.

C₆₀纳米颗粒悬浮液的制备采用Andrievsky等^[18]的方法并加以改进^[19]. 称取8 mg C₆₀与20 mL甲苯混合，振荡12 h，加入80 mL超纯水，超声分散48 h，使C₆₀从甲苯相转移到水相； 旋转蒸发去除甲苯，剩余液体用0.22 μm滤膜过滤，滤液即为甲苯溶剂替换法制得的C₆₀纳米颗粒悬浮液. 避光4℃保存.

悬浮液中C₆₀浓度采用Lyon等^[20]提出的紫外分光光度法，采用甲苯萃取、 冷冻分离后，于334 nm处测定吸光度，并利用C₆₀甲苯溶液标准工作曲线计算获得.

称取HA 40 mg加入100 mL超纯水中，避光搅拌过夜，用0.45 μm滤膜过滤，滤液即为HA储备液，4℃下避光保存. 其浓度采用总有机碳分析仪(TOC-Vcph，Shimadzu)测定.

C₆₀纳米颗粒的ζ电位与粒径均采用纳米粒径及Zeta电位分析仪(ZetaSizer Nano ZS90，Malvern)测定. ζ电位检测采用激光多普勒电泳方式测定； 粒度检测利用动态光散射技术测定； 25℃下进行.

通过测定初始凝聚阶段C₆₀纳米颗粒粒径随时间的变化，并计算其有效碰撞概率α，以此来定量描述水中C₆₀纳米颗粒的凝聚动力学. α表示颗粒间可导致凝聚的碰撞概率，其越大则胶体颗粒的凝聚速度越快. α可通过不同电解质浓度下的胶体颗粒的初始凝聚速率常数k₁₁与扩散凝聚阶段下凝聚速率常数(k₁₁)_fast(为恒定值)的比值求解. 控制实验中胶体颗粒的初始浓度N₀不变，则可简化如式(1)所示^[21]：

凝聚实验中，取一定体积的C₆₀纳米颗粒悬浮液，向其中顺序加入设定剂量的HA溶液和电解质溶液，用超纯水定容至相同体积，使得最终C₆₀浓度为1 mg ·L^-1； 迅速混合后倒入样品池，以15 s为间隔，测定粒径随时间的变化.

以不同条件向C₆₀纳米颗粒悬浮液中投加药剂开展凝聚实验，具体为： ①仅加入HA(C₆₀+HA)； ②仅加入电解质(C₆₀+电解质)； ③先加入HA反应30 s后再加入电解质[(C₆₀+HA)+电解质]； ④先加入电解质反应30 s后再加入HA[(C₆₀+电解质)+HA]； ⑤HA与电解质反应30 s后加入C₆₀稳定液[C₆₀+(HA+电解质)]； ⑥仅HA与电解质反应(HA+电解质). 设定各凝聚体系中电解质和HA投加量分别为5 mmol ·L^-1和5mg ·L^-1，测定方法与过程同凝聚动力学实验.

C₆₀纳米颗粒稳定悬浮水溶液理化性质如表 1所示. 用甲苯溶剂替换法配制的C₆₀纳米颗粒悬浮液呈棕黄色透明状、 中性，浓度在20 mg ·L^-1左右，粒径为120 nm左右，表面ζ电位接近-30 mV，呈较高的电负性，这可能是其在水中稳定悬浮的重要原因. 有研究认为，稳定液中的C₆₀外围会形成水壳，水壳中水分子间形成的氢键网络及电荷向C₆₀表面的转移，使得C₆₀稳定悬浮； 也有学者认为，稳定液制备中的超声分散过程可使水中氢氧根与C₆₀中的C原子发生共价结合，形成类似于醇的结构并使得C₆₀稳定分散^[22].

表 1(Table 1)

表 1 C60纳米颗粒理化性质Table 1 Physicochemical property of C60 nanoparticles 项目 性质 表观性状 棕黄色透明 pH 6.43~6.49 浓度/mg ·L-1 18.5~21.4 粒径/nm 108~131 ζ电位/mV -26.8~-35.5

表 1 C60纳米颗粒理化性质Table 1 Physicochemical property of C60 nanoparticles

投加电解质与HA凝聚反应3 h后，C₆₀纳米颗粒粒径和ζ电位随电解质浓度的变化如图 1所示. 无HA时，投加不同电解质，C₆₀纳米颗粒表面电位均下降、 粒径变大. 这是由于金属阳离子通过压缩双电层作用使得C₆₀纳米颗粒表面双电层变薄、 |ζ|下降，从而导致颗粒间的排斥势能变小、 势垒降低，更容易发生相互碰撞而凝聚. HA存在时，NaCl和MgCl₂凝聚体系中，颗粒粒径较无HA时无变小、 凝聚受到抑制； 而CaCl₂凝聚体系中，颗粒粒径则变大、 凝聚加强； 且随HA浓度提高，变化趋势更为显著. 表明有机物存在下，不同电解质与C₆₀间存在着不同的凝聚机制. 另一方面，HA存在时，投加电解质后的C₆₀纳米颗粒表面|ζ|均无显著变化，则表明HA不是通过改变其表面电性对凝聚过程产生影响.

图 1

Fig. 1

图 1 HA对 C60悬浮液粒径及 ζ电位的影响Fig. 1 Influence of HA on the C60 nanoparticle size and zeta potential

MgCl₂对C₆₀纳米颗粒凝聚过程中α的影响如图 2所示. 无HA时，随着MgCl₂浓度的增大，α先升高而后保持稳定，并将凝聚过程划分为两个不同的阶段，符合经典的胶体稳定性DLVO理论^[23]. 由DLVO理论可知： 电解质浓度较低时，随Mg²⁺浓度升高，压缩双电层作用增强、 α增大，此即反应控制阶段； 当电解质浓度提高到一定数值后，颗粒表面的自由反离子全部被Mg²⁺所置换，ζ达临界值，颗粒间势垒消失，每一次碰撞都会造成不可逆的凝聚发生，因此α不再随电解质浓度而变化，并始终为1，此即扩散控制阶段. 两阶段的交点被称为临界凝聚浓度(critical coagulation concentration，CCC)，表示使胶体颗粒发生扩散凝聚的电解质最低浓度. 经计算，本实验中Mg²⁺的CCC为9.6 mmol ·L^-1. HA存在时，C₆₀纳米颗粒凝聚过程也呈现出反应控制和扩散控制两个阶段. 但相同MgCl₂投加条件下，α均较无HA时下降； 而反应控制阶段的α均小于1，且随HA浓度升高而降低. HA浓度为1、 5、 10mg ·L^-1条件下，Mg²⁺的CCC分别为12.3、 14.7和16.2 mmol ·L^-1，均显著高于无HA时(9.6 mmol ·L^-1)，进一步证明HA具有显著的抑制凝聚作用.

图 2

Fig. 2

图 2 MgCl2投加对有效碰撞概率α的影响Fig. 2 Influence of MgCl2 dosing on attachment efficiencies of fullerene nanoparticles

CaCl₂对C₆₀纳米颗粒凝聚过程中α的影响如图 3所示. 无HA时，随CaCl₂浓度增大，α呈先上升后稳定的趋势，与MgCl₂一致. 但HA存在时，CaCl₂凝聚体系中则表现出显著的强化凝聚过程： 相同CaCl₂投加条件下的α高于无HA时，扩散控制阶段α均大于1，且随HA浓度上升而提高. 如HA浓度为10 mg ·L^-1时，扩散控制阶段α可达3左右，较无HA时颗粒间碰撞凝聚效率提高了2倍. 经计算，本实验中HA浓度为0、 1、 5、 10 mg ·L^-1条件下，对应的CCC分别为6.7、 5.4、 4.2和3.5 mmol ·L^-1，CCC随HA浓度提高而降低. 这些均表明，Ca²⁺与HA之间存在着不同的作用机制，导致C₆₀纳米颗粒发生了强化凝聚现象.

图 3

Fig. 3

图 3 CaCl2投加对有效碰撞概率 α的影响Fig. 3 Influence of CaCl2 dosing on attachment efficiencies of fullerene nanoparticles

不同投加条件对C₆₀纳米颗粒凝聚过程的影响如图 4和图 5所示. MgCl₂凝聚实验中，体系①和⑥中粒径不随反应时间增大，表明HA与C₆₀纳米颗粒或MgCl₂间不发生凝聚反应； 体系②和④中，因MgCl₂压缩双电层作用使C₆₀纳米颗粒凝聚反应发生，且HA具有的抑制凝聚作用使得体系④的凝聚速度显著小于②； 而体系③和⑤中虽然有MgCl₂参与，但粒径并不随反应时间显著增大，则表明HA对C₆₀纳米颗粒抑制凝聚作用要强于MgCl₂的压缩双电层作用. C₆₀具有巨大的表面积，且与HA分子有着相似的环状碳链结构，可生成π—π键，使得HA可被牢固吸附在C₆₀表面^[21]； 大分子的HA被吸附后将形成较强的空间位阻作用，抑制颗粒间碰撞凝聚，这被认为是天然有机物提高了水中的纳米颗粒稳定性的主要原因^[24].

图 4

Fig. 4

图 4 投加条件对 C60纳米颗粒凝聚过程的影响 (MgCl2)Fig. 4 Influence of different dosing condition on aggregation process(MgCl2)

图 5

Fig. 5

图 5 投加条件对 C60纳米颗粒凝聚过程的影响 (CaCl2)Fig. 5 Influence of different dosing condition on aggregation process(CaCl2)

CaCl₂凝聚实验中，除仅存在C₆₀和HA的体系①外，均发生了凝聚； 且在不同CaCl₂和HA投加顺序的体系③、 ④、 ⑤中，凝聚速度均高于仅有C₆₀和CaCl₂的体系②，呈现显著的强化凝聚现象. 而体系⑥也具有较高的凝聚速率，表明CaCl₂和HA间发生了快速凝聚反应. 已有研究发现，钙离子可与NOM分子间发生络合反应生成高分子络合物^[25]，而新生成的高分子络合物则可通过吸附架桥作用与C₆₀快速形成体积巨大的凝聚体. 体系⑥凝聚速率也快于体系②，则表明在C₆₀、 Ca²⁺和HA三者参与凝聚体系中，CaCl₂和HA间的络合反应是强化凝聚发生的主导因素. 天然有机物和各类电解质广泛存在于水体中，它们种类繁多，性质各异，可通过不同机制对水中C₆₀凝聚和扩散产生复杂的影响.

(1)采用甲苯溶剂替换法制备的悬浮稳定液中C₆₀纳米颗粒粒径在120 nm左右，表面呈较高的电负性，稳定性较好. 投加电解质可以通过压缩双电层机制使其发生凝聚，凝聚过程可分为反应控制阶段和扩散控制阶段，与经典的胶体稳定性理论相符.

(2)HA可通过增强C₆₀纳米颗粒表面的空间位阻作用，使得投加MgCl₂时的凝聚反应速率降低，有效碰撞概率减小，C₆₀在水中的稳定性增强； HA对C₆₀纳米颗粒抑制凝聚作用要强于Mg²⁺的压缩双电层作用.

(3)Ca²⁺存在时，HA分子可通过与钙离子间的络合反应并与C₆₀纳米颗粒发生吸附架桥作用，导致强化凝聚发生； HA浓度越高，强化凝聚作用越强.